發(fā)布時間：2017-10-05 17:16

  本文關鍵詞：易損斑塊血流動力學參數(shù)的CFD模擬和PIV實驗

  更多相關文章： 易損斑塊 超聲粒子圖像測速 計算流體動力學 血流動力學 血管仿體

【摘要】：血栓是血流在心血管系統(tǒng)血管內面剝落處或修補處的表面所形成的小塊,常常會造成動脈局部堵塞,引起器官缺血、缺氧而衰竭。動脈粥樣硬化是血栓形成的主要因素。動脈粥樣硬化導致血栓形成的具體過程是：動脈粥樣硬化斑塊破裂引發(fā)血管內壁表面的內皮細胞受損,血小板在破損處黏附、聚集使管腔狹窄,并且使凝血系統(tǒng)激活而形成血栓。有研究表明,不是所有的動脈粥樣硬化斑塊都會發(fā)生破裂。其中不會形成血栓的動脈粥樣硬化斑塊被稱為穩(wěn)定斑塊,有破裂傾向的斑塊則稱為易損斑塊(Vulnerable Plaque) 。易損斑塊是由薄纖維帽、廣泛的巨噬細胞浸潤、大脂質核等組成,故可以通過對斑塊組成成分的檢查來對易損斑塊進行識別。易損斑塊的檢查手段包括有創(chuàng)的影像學檢查方法和無創(chuàng)的影像學檢查方法。有創(chuàng)影像學檢查方法有血管造影術(Vasography)、血管內超聲(Intravascular Ultrasound, IVUS)和光學相干斷層掃描(Optical Coherence Tomography, OCT)。血管造影術是目前臨床有創(chuàng)評價動脈粥樣硬化斑塊和血管腔狹窄程度的“金標準”,其操作方法相對成熟,判斷方式簡單直觀。但是該方法只能提供間接的,不完全的血管壁疾病信息。對造影發(fā)現(xiàn)復雜斑塊的患者,可能意味著易損斑塊的存在,對于造影沒有明顯狹窄和復雜斑塊的患者,也不能排除易損斑塊的存在,故該種檢查方法雖然特異性較高,但敏感性較差,并非檢測易損斑塊的優(yōu)選方法。IVUS具有良好的血管穿透性,能夠提供血管壁的詳細結構圖像,區(qū)分內膜,中膜和外膜,其檢測脂質核心的敏感性達到80%-90%。但是IVUS 的圖像分辨率大約是100μm,對于纖維帽厚度小于65μm的易損斑塊難以鑒別。OCT分辨率高,可檢測斑塊的裂隙、脂質和纖維帽結構,該方法所估測的斑塊中巨噬細胞的數(shù)量與病理學的測值高度相關。OCT的分辨率可達10 μ m,對于分辨厚度小于65 u m的纖維帽和纖維鈣化的敏感性與特異性較高,但因其有創(chuàng)檢查而較難廣泛用于處于動態(tài)變化的易損斑塊早期識別。這也是其他有創(chuàng)檢查方法的局限性。易損斑塊的無創(chuàng)影像學檢查方法包括放射性核素成像、磁共振(Magnetic Resonance Imaging, MRI)和計算機斷層成像(Computed Tomography, CT)。放射性核素成像包括正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography, PET)和單光子發(fā)射計算機斷層成像(Single-photon Emission Computed Tomography, SPECT),這兩種技術結合特異性標記物的研究應用,可以提高動脈易損斑塊檢出的敏感度和特異度。研究表明,頸部動脈炎癥的程度與18F-FDG(18F正電子標記的脫氧葡萄糖)-PET的攝取率有關,通過18F-FDG可以識別頸部動脈的炎性易損斑塊。MRI分辨率高可以較可靠地識別出頸動脈、外周動脈部位的易損斑塊。新興的血管內磁共振成像技術能實現(xiàn)定性定量顯示血管(尤其是深部血管)管壁和斑塊的結構。CT對于易損斑塊的識別主要是基于CT值進行的。Schroeder利用病例組織做對照將斑塊按著CT值分三類：軟斑塊(富含脂質的斑塊)≤60 HU、纖維斑塊61-119 HU、鈣化斑塊≥120 HU。利用CT檢查可以鑒別易損斑塊的兩個重要特征：較大的脂質核和正向重構斑塊,但因脂質斑塊與纖維斑塊之間的CT值區(qū)分不準確,無法識別易損斑塊的纖維帽。以上三種無創(chuàng)方法的局限性在于時空分辨率較低。影像學方法通過檢查斑塊的結構和成分信息來判斷斑塊的易損性。然而,斑塊是否會發(fā)生破裂不僅與斑塊的組成成分有關,也和斑塊的血流動力學參數(shù)有關。這些參數(shù)主要有剪切力(Wall Shear Stress, WSS),血流速度(Blood Flow Velocity)、流體狀態(tài)(比如層流、渦流、湍流等)。超聲粒子圖像測速技術(Ultrasonic Particle Image Velocimetry, PIV)可以通過超聲無創(chuàng)檢測方法和血流動力學參數(shù)的結合實現(xiàn)對易損斑塊進行風險評估。該技術是利用造影微泡對超聲波的強烈發(fā)射,通過高分辨率超聲系統(tǒng)對造影區(qū)域采集圖像序列,然后對連續(xù)的兩幀圖像進行圖像互相關計算,進而獲取流場速度分布。PIV測速實驗平臺搭建了與人體血液循環(huán)系統(tǒng)具有相同周期脈動特征的流體循環(huán)系統(tǒng)。由脈動泵產生的脈動流,經過儲液池、傳輸管道流經血管仿體,使其產生周期性收縮、舒張,通過對脈動泵頻率、每搏輸出量、收縮期／舒張期時間比等參數(shù)的調控,使彈性血管仿體產生模擬人體血管的運動特征。除了以上所有專業(yè)醫(yī)療檢測方法外,還有一種介于數(shù)學、流體力學和計算機之間的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法也可以用來計算流場速度分布。CFD通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學的控制方程,對流體力學問題進行模擬和分析。其具體求解過程是設置一系列流體進出口邊界條件利用計算機進行數(shù)值模擬來計算流場流速分布。CFD方法結果的準確性取決于流體模型、壁面函數(shù)等條件的合理選擇。為了能在同一實驗條件下比較PIV和CFD的實驗結果,本次研究對PIV測速實驗平臺進行了改進。具體改進有：在仿體前后加裝了壓力傳感器,并通過示波器讀取壓力波形；其次在仿體前放置了轉式流量計,用來記錄流體流量。壓力波形和流體流量就是CFD模擬的初始邊界條件。不同狹窄程度的斑塊的血流動力學參數(shù)是不同的,所以本研究對三組狹窄程度不同的仿體分別使用PIV和CFD方法計算其血流動力學參數(shù)。實驗方法：本次實驗設置了三組狹窄程度不同的血管仿體模型,并制作了相應的血管仿體模具,根據(jù)冷凍-解凍法,使用PVA水凝膠制備實驗用血管彈性仿體。同時搭建了經改進的PIV實驗平臺,分別進行P1V實驗和CFD計算。實驗過程：使用Vevo 2100超聲實時分子影像系統(tǒng)采集不同狹窄程度仿體的流場超聲圖像,可以通過調節(jié)超聲設備的幀頻(Frame Rate)、線密度(Line Density)、圖像寬度(Image Width)等參數(shù)獲取最佳的超聲圖像,每個仿體采集3個心動周期圖像,圖像結果使用Matlab 2014軟件處理獲取PIV實驗結果。CFD模擬的具體過程是：根據(jù)血管仿體形狀依次建立了相應的仿真模型,對模型進行網格劃分,同時將PIV實驗中仿體入口端流量計的讀數(shù),以及通過示波器讀取的仿體入口端和出口端一個周期內壓力波形,作為CFD模擬的進口端流量、進口端壓力、出口端壓力條件并編寫成UDF代碼,作為邊界條件加載到ANSYS分析軟件進行模擬。最后取斑塊前、中、后三個徑向位置,在一個心動周期速度最大時候,分別比較這三個位置處PIV和CFD的實驗結果,比較結果用Origin 85軟件處理。實驗結果：CFD和PIV方法的結果均能準確捕捉到斑塊前后位置處流場的變化：在斑塊前部的流場,越靠近斑塊,流體向上運動的趨勢越明顯,而在斑塊后部都出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象；斑塊狹窄程度越高,回流現(xiàn)象越明顯。通過三組不同狹窄程度的仿體實驗結果可以看到,30%狹窄程度的仿體中,CFD和PIV所得的流體速度最為接近；70%狹窄程度的仿體中,兩種方法測得的速度相差最明顯,PIV所測得的實驗結果明顯低于CFD結果。
【關鍵詞】：易損斑塊 超聲粒子圖像測速 計算流體動力學 血流動力學 血管仿體
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R54;R816.2
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 緒論17-28
• 1.1 研究背景與意義17-19
• 1.2 國內外研究進展19-26
• 1.2.1 血管內超聲19-21
• 1.2.2 光學相干斷層掃描21-22
• 1.2.3 磁共振成像22-23
• 1.2.4 放射性核素成像檢測23
• 1.2.5 近紅外光譜法23-26
• 1.3 血流動力學分布對研究易損斑塊的意義26-27
• 1.4 本文研究內容27-28
• 第二章 流體力學基礎28-42
• 2.1 流體運動描述方法28-29
• 2.1.1 粘性流體28-29
• 2.1.2 可壓縮流體與不可壓縮流體29
• 2.2 運動流體的描述29-30
• 2.2.1 入口段與充分發(fā)展段29
• 2.2.2 層流與湍流29-30
• 2.3 流體流動基本控制方程30-33
• 2.3.1 連續(xù)性方程30-31
• 2.3.2 Navier-Stokes方程31-33
• 2.3.3 能量守恒方程33
• 2.4 數(shù)值求解的研究33-34
• 2.5 計算流體動力學34-40
• 2.5.1 前處理35-37
• 2.5.2 FLUENT求解器37-39
• 2.5.3 后處理39-40
• 2.6 ANSYS求解步驟40-42
• 第三章 超聲粒子圖像測速算法42-49
• 3.1 超聲粒子圖像測速法的原理42
• 3.2 PIV算法42-49
• 3.2.1 互相關計算43-45
• 3.2.2 亞像素處理45-46
• 3.2.3 濾波插值46-47
• 3.2.4 速度矢量修正47-49
• 第四章 PIV實驗及CFD仿真參數(shù)的設置49-63
• 4.1 超聲造影劑49-52
• 4.1.1 超聲造影成像50
• 4.1.2 超聲造影劑的發(fā)展歷史50-52
• 4.2 超聲探頭52-53
• 4.3 血管仿體53-58
• 4.3.1 聚乙烯醇水凝膠53-54
• 4.3.2 散射子54-55
• 4.3.3 血管仿體制備55-58
• 4.4 PIV實驗58-61
• 4.4.1 實驗主要裝置58-60
• 4.4.2 實驗系統(tǒng)60-61
• 4.5 本實驗的實驗參數(shù)61-63
• 第五章 PIV實驗和CFD仿真結果63-73
• 5.1 無斑塊仿體的PIV與CFD實驗結果對比63-64
• 5.2 不同狹窄程度的斑塊的PIV與CFD實驗結果對比64-71
• 5.2.1 30%狹窄程度仿體實驗結果64-67
• 5.2.2 50%狹窄程度仿體實驗結果67-69
• 5.2.3 70%狹窄程度仿體實驗結果69-71
• 5.3 結果71
• 5.4 討論71-73
• 第六章 總結與展望73-75
• 參考文獻75-80
• 攻讀學位期間成果80-81
• 致謝81-82

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 可海霞;賈銀明;;易損斑塊標志物和急性冠狀動脈綜合征[J];新鄉(xiāng)醫(yī)學院學報;2007年06期

2 曾秋棠;毛曉波;;易損斑塊的早期識別與干預[J];臨床心血管病雜志;2009年05期

3 楊躍進;易損斑塊的檢測和急性冠狀動脈綜合征的預防[J];中國循環(huán)雜志;2003年04期

4 姚榮國;孫宇;;易損斑塊的標志物——妊娠相關蛋白-A[J];臨床心血管病雜志;2006年01期

5 韓玉龍;光雪峰;;急性冠狀動脈綜合征易損斑塊檢測進展[J];醫(yī)學綜述;2006年08期

6 孔令閣;;易損斑塊的認識和檢測[J];內蒙古醫(yī)學雜志;2007年10期

7 李建平;劉廠輝;;冠狀動脈粥樣硬化性心臟病易損斑塊檢測新進展[J];社區(qū)醫(yī)學雜志;2007年23期

8 朱雁洲;陳良龍;;易損斑塊的診斷進展[J];心血管病學進展;2008年01期

9 李蘋;孫曉莉;;易損斑塊的形成與干預策略[J];中國實驗診斷學;2008年04期

10 吳宗貴;;從易損斑塊的研究難點看中西醫(yī)結合防治之路[J];中國中西醫(yī)結合雜志;2008年04期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張運;;易損斑塊檢測研究進展[A];中華醫(yī)學會第十一次全國心血管病學術會議專題報告匯編[C];2009年

2 張文高;鄭廣娟;朱慶均;王顯剛;張丹;張靜;劉龍濤;吳敏;徐敏;李寧;;中西醫(yī)結合防治易損斑塊、易損血液的研究與思路[A];第七次全國中西醫(yī)結合心血管病學術會議論文匯編[C];2005年

3 陳曦;;冠脈易損斑塊生物標志物的研究進展[A];中國心臟大會（CHC）2011暨北京國際心血管病論壇論文集[C];2011年

4 吳同啟;顧寧;陳志亮;黃成明;潘志偉;;寧心痛顆粒干預模型兔動脈粥樣硬化易損斑塊機制研究[A];第十次全國中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新與發(fā)展學術交流會暨第二屆全國中醫(yī)藥博士生優(yōu)秀論文頒獎會議論文集[C];2011年

5 張運;陳文強;張鵬飛;;易損斑塊的研究現(xiàn)狀[A];第八次全國動脈硬化性疾病學術會議論文集[C];2005年

6 胡思寧;房炎;于波;;應用光學相干斷層掃描技術評價易損斑塊階段性特點[A];第十三次全國心血管病學術會議論文集[C];2011年

7 杜廷海;;易損斑塊、血栓形成的“熱毒觀”[A];中華中醫(yī)藥學會第三次血栓病學術會議論文匯編[C];2009年

8 賀芬芬;王文;;藥物穩(wěn)定易損斑塊研究的進展[A];中國藥理學會補益藥藥理專業(yè)委員會成立大會暨人參及補益藥學術研討會會議論文集[C];2011年

9 賀芬芬;王文;;藥物穩(wěn)定易損斑塊研究的進展[A];中國成人醫(yī)藥教育論壇（4）[C];2011年

10 方圻;;易損斑塊、易損血液、易損患者[A];中華醫(yī)學會心血管病分會第八次全國心血管病學術會議匯編[C];2004年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 解放軍總醫(yī)院心內科教授 陳韻岱邋首都醫(yī)科大學附屬安貞醫(yī)院 林運 整理;易損斑塊的識別與治療[N];健康報;2008年

2 白毅;易損斑塊——急性冠脈綜合征研究的熱點[N];中國醫(yī)藥報;2004年

3 劉燕玲;活血解毒有助穩(wěn)定動脈易損斑塊[N];健康報;2006年

4 ;易損斑塊識別 冠心病研究熱點[N];健康報;2011年

5 李潔尉 覃善萍;圍殲“頭號殺手”行動啟動[N];廣東科技報;2009年

6 記者 熊昌彪;中藥穩(wěn)定易損斑塊研究獲國際認同[N];中國醫(yī)藥報;2010年

7 澤雯;國家“973”計劃立項關注影像診斷與疾病預警系統(tǒng)[N];中國醫(yī)藥報;2009年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 趙偉;聯(lián)合測定炎癥因子水平與冠狀動脈易損斑塊相關性的研究[D];山東大學;2015年

2 凌博;高切高脂通過VEGF-VEGFR2信號通路調控血管新生參與動脈粥樣易損斑塊形成[D];重慶大學;2015年

3 李巧汶;易損斑塊形成中白介素-18促動脈粥樣硬化斑塊內細胞凋亡的作用研究[D];南方醫(yī)科大學;2011年

4 王雙雙;骨髓間充質干細胞移植對易損斑塊穩(wěn)定性的影響及機制研究[D];南方醫(yī)科大學;2013年

5 倪梅;易損斑塊動物模型的構建和基因治療穩(wěn)定易損斑塊的實驗研究[D];山東大學;2007年

6 李清賢;冠狀動脈易損斑塊的臨床監(jiān)測[D];華中科技大學;2008年

7 仲琳;應用基因和藥物治療穩(wěn)定易損斑塊的實驗研究[D];山東大學;2005年

8 林清飛;短期大劑量他汀逆轉兔易損斑塊進展試驗[D];福建醫(yī)科大學;2011年

9 吳同啟;寧心痛顆粒干預模型兔動脈粥樣硬化易損斑塊的作用及機制研究[D];南京中醫(yī)藥大學;2011年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 林榮明;蟲類藥復方干預頸動脈易損斑塊的臨床研究[D];廣州中醫(yī)藥大學;2016年

2 周慧;易損斑塊血流動力學參數(shù)的CFD模擬和PIV實驗[D];南方醫(yī)科大學;2016年

3 王守亮;冠狀動脈易損斑塊的診斷與治療進展[D];蚌埠醫(yī)學院;2015年

4 白萬軍;前列腺素E1對兔動脈粥樣硬化易損斑塊的穩(wěn)定作用及機制研究[D];山東大學;2011年

5 劉國棟;胎盤生長因子和基質金屬蛋白酶9與易損斑塊的相關性[D];南昌大學;2009年

6 鄭雪;前列腺素E1對兔易損斑塊內出血和新生血管的作用及機制研究[D];山東大學;2012年

7 靳奇峰;妊娠相關蛋白-A對冠心病易損斑塊預測價值的研究[D];天津醫(yī)科大學;2012年

8 李志軍;普羅布考治療頸動脈易損斑塊的臨床研究[D];天津醫(yī)科大學;2014年

9 周小林;多源螺旋CT （MDCT）在冠脈易損斑塊中的診斷價值[D];中南大學;2012年

10 齊天軍;單核細胞趨化活性及趨化因子對冠狀動脈粥樣硬化易損斑塊不穩(wěn)定的機制研究[D];山東大學;2011年

，

本文編號：978010